STS新管幕构件抗弯性能试验研究及数值模拟

基于2榀STS(Steel Tube Slab)新管幕构件的抗弯试验,研究STS新管幕构件的破坏形态及受力机制。为充分研究支护参数对新管幕构件抗弯性能的影响,运用ABAQUS建立STS新管幕构件的有限元模型。以此模型为依据,分析钢管厚度、翼缘板厚度、螺栓直径、混凝土强度、钢管间距、翼缘板焊接等参数对新管幕构件抗弯性能的影响规律。研究结果表明:钢管厚度、翼缘板厚度、螺栓直径和混凝土强度对构件的极限承载力影响不明显;钢管间距改变对构件的极限承载力影响较大;下翼缘板焊接对构件的极限承载力影响极大。研究结果可为新管幕结构的应用提供理论依据。     

槽钢连接的新型地下管幕构件力学性能

以槽钢连接的新型管幕构件(CSTS)室内试验为依托,探究该结构的受力特征和破坏规律,利用粒子成像测速技术对构件截面变形进行观测,同时运用ABAQUS软件建立构件的有限元模型。基于此模型,分析钢管壁厚、翼缘板厚度、混凝土强度和钢管间距等参数对构件受力性能的影响规律,并采用多元线性回归理论对构件极限承载力进行研究。研究结果表明:构件发挥出良好的延性性能,钢管壁厚和混凝土强度对构件承载力影响不明显,钢管间距和翼缘板厚度对构件承载力影响较大;此外,根据极限承载力拟合计算公式可知,各参数中钢管间距的影响最显著。     

基于模糊数学的STS管幕结构的连接参数优化

依托STS管幕结构纵向抗弯性能试验，建立了STS管幕构件纵向抗弯性能有限元分析模型并验证了模型的可行性.采用正交试验研究了钢管壁厚、钢管直径、螺栓直径、钢管间距、翼缘板厚度对构件纵向抗弯承载力、跨中位移和经济性指标的影响，结合模糊数学理论优化了连接参数.结果表明:对构件达到屈服荷载时跨中位移影响最大的参数为钢管直径，对构件纵向抗弯承载力和每延米构件材料平均价格影响最大的参数为钢管壁厚.为兼顾安全性和经济性，连接参数比值应为钢管直径∶钢管壁厚∶螺栓直径∶钢管间距∶翼缘板厚度 =1∶ 0.03∶0.05∶1.15∶0.02.     

不同结构参数下STS管幕构件力学性能的数值分析

以8榀STS(steel tube slab)管幕构件室内试验为依托,为充分研究STS管幕构件的力学性能,建立构件的有限元模型,分析钢管厚度、螺栓直径、配筋率、翼缘板间距等参数对STS管幕构件力学性能的影响.结果表明:钢管厚度的变化,对试件的极限承载力影响不大,但能够有效地提高试件横向刚度;翼缘板间距的变化,对试件的极限承载力和横向刚度影响较显著;螺栓直径、配筋率的变化,对试件的极限承载力和横向刚度影响均不明显.     

STS管幕结构横向抗弯刚度计算模型及参数优化

STS (steel tube slab)管幕工法是一种新型的地铁暗挖支护体系，由于管幕结构的变形机理尚不明确，管间连接参数需要进一步优化，阻碍了STS管幕工法的应用和推广.本文建立STS管幕结构的有限元模型，并结合室内试验验证有限元模型的合理性，系统性研究翼缘板厚度和螺栓直径对管幕结构横向抗弯刚度的影响规律，然后结合SPSS统计分析软件和归一化处理方法得出，螺栓直径和翼缘板厚度的比值在2.0~2.5时STS管幕结构的变形最合理.结合室内试验和有限元分析结果，建立了STS管幕结构横向抗弯刚度计算模型，并通过室内试验评估了该模型的正确性，计算误差均在20%以内.     

咬合管幕结构的抗弯性能及影响参数分析

依托咬合管幕结构的抗弯性能试验,利用ABAQUS有限元软件建立了咬合管幕结构模型,在对模型的准确性进行验证的基础上,对咬合管幕结构在集中荷载作用下的抗弯性能进行分析.选取咬合距离、钢管直径、钢管壁厚及钢筋直径进行研究,得到不同参数组合下结构的抗弯承载力水平.结果表明：加载过程中,钢管与核心混凝土中存在明显的应力重分布,咬合管幕结构具有良好的抗弯性能,钢管直径是影响咬合管幕结构抗弯性能的主要因素,当钢管直径增加45.7%时,结构抗弯承载力最大可提高294.3%.     

NSTS管幕结构横向连接方法试验研究

提出一种基于钢管连接的NSTS(new steel tube slab)管幕结构,在纵向大钢管之间横向布置连接小钢管,浇筑混凝土后形成纵横向复合钢管混凝土整体结构,以解决现有管幕结构施工难度大、横向刚度及承载力低等缺点.通过试验研究不同钢管连接方式对NSTS构件受力性能的影响.结果表明,采用螺栓+T型钢板连接及采用螺栓连接的试件与仅采用T型钢板连接的试件相比,承载力分别提高58.4%,51.2%,刚度分别提高123.3%,97.5%,螺栓+T型钢板的连接方法对NSTS构件的受力性能最为有利;混凝土强度等级对试件的刚度和变形影响较大,对承载力影响不明显.     

带翼缘板圆钢管顶进过程土体变形数值模拟

在传统管幕工法的钢管两侧分别焊接上下两条钢板(称为翼缘板),并将相邻钢管翼缘板焊接形成新型管幕结构.由于翼缘板的存在，顶进过程土体变形规律与圆形钢管不同.本文应用Midas GTS有限元分析软件，对不同钢管直径、翼缘板位置的带翼缘板圆钢管顶进过程进行模拟.结果表明，随上下翼缘板间距增大或管径的不断增加，管顶土体沉降、管底土体隆起、翼缘板处土体竖向位移不断增大；当顶管开挖面距离监测断面一节管长时，监测断面位置土体隆起；顶至监测断面位置时，土体变形变为沉降；当顶管位置超过监测断面一节管长后，土体变形趋于稳定；同时通过拟合曲线，得到了土体变形与上下翼缘板间距、管径的函数关系.     

GFRP管钢骨混凝土构件抗弯承载力分析

GFRP管钢骨混凝土组合构件是由GFRP外管、钢骨和混凝土三部分组成.为研究组合构件的抗弯性能,进行了3根GFRP管钢骨混凝土试件的抗弯试验.采用纤维模型法编制非线性分析程序,以GFRP管壁厚度、混凝土强度、配骨率为主要参数,计算了9个构件,得到其弯矩与曲率关系曲线.结果表明:构件的抗弯承载力随着混凝土强度的增加而增大,随着GFRP管壁厚度的增加而增加,且变化幅度相对明显.采用统一理论方法建立构件抗弯承载力计算公式,并通过试验进行验证,理论计算结果与试验结果吻合良好.     

T形钢管混凝土组合构件抗弯性能

将两根矩形钢管直接焊接形成新型T形钢管混凝土组合构件,进行了8组共16个T形钢管混凝土组合构件的抗弯试验,分析了含钢率、剪跨比、截面尺寸等参数对新型T形钢管混凝土组合构件抗弯性能的影响,比较了新型T形钢管混凝土组合构件和传统T形钢管混凝土组合构件的抗弯性能.运用有限元软件ABAQUS对构件的弯矩-挠度曲线进行了全过程分析.数值分析结果与试验结果符合良好,两者的承载力差值在5%以内.提出了新型T形钢管混凝土组合构件抗弯极限承载力的计算公式,并运用该公式计算了5组试件的弯曲极限承载力,计算结果与试验结果误差最大为14%,结果令人满意.     

冷弯薄壁型钢-细石混凝土组合梁抗弯性能研究

为研究冷弯薄壁型钢-细石混凝土组合梁的抗弯性能,对3个不同抗剪构造的组合梁进行了单调静载试验,考察了组合梁的破坏形式、承载能力等.组合梁的破坏特征为托梁腹板剪切破坏并出现扭转,托梁上翼缘屈服、部分抗剪螺钉拔起、混凝土出现贯通裂缝继而组合梁发生整体破坏.试验结果表明：设置抗剪件对组合梁极限承载力无显著影响但可提高组合梁抗弯刚度.建立ANSYS有限元模型进行数值模拟,并对验证后的有限元模型进行变参数分析,研究结果表明：减小螺钉间距、提高钢材强度、增加托梁腹板高度、增加混凝土厚度均会提高组合梁承载力.最后,基于考虑托梁腹板高度、螺钉间距等影响因素修正系数η,提出了组合梁抗弯极限承载力公式,并与试验结果、有限元结果对比,验证了公式的正确性.     

钢管-纤维增强水泥基符合材料混凝土叠合柱轴压性能

为了研究构造参数对钢管-超高延性纤维增强水泥基材料(engineered cementitious composites,ECC)混凝土叠合柱的轴压力学性能的影响规律,采用数值模拟方法对比分析了长细比、截面形式、钢管壁厚、纵筋直径以及配箍率对极限承载力、破坏模式和荷载-位移曲线的影响,研究不同参数的影响规律.研究结果表明:通常采用ECC混凝土替代外包普通混凝土能有效提高叠合柱的承载能力,同时能极大改善试件的延性;相同截面含钢率条件下,采用圆截面钢管的构件约束效应较好;钢管厚度与构件长细比是影响钢管-ECC混凝土叠合柱承载能力的重要参数;外包纵筋直径与箍筋间距变化对试件承载力具有提高作用;随着钢管厚度、纵筋直径的增加及构件长细比的减小,单轴荷载作用下叠合柱的承载力得到提高.     

配置高延性不锈钢钢筋混凝土柱抗震性能试验研究

进行了6个配置高强度、低弹性模量、高延性的不锈钢钢筋混凝土柱的拟静力试验,并与普通钢筋柱对比,研究其破坏形态、滞回曲线、骨架曲线、位移延性等抗震性能和承载力,并分析轴压比和纵筋配筋率的影响。结果表明:不锈钢试件均发生柱根部正截面压弯破坏;其滞回曲线与普通钢筋试件的相似,但耗能能力更好;不锈钢试件的位移延性系数比普通钢筋试件的略低,但其屈服位移和极限位移分别比普通钢筋试件的大21%～24%和2%～19%;不锈钢试件的受弯承载力计算值和试验值之比与普通钢筋试件的相近,平均为0.79,具有一定的安全储备;当箍筋间距大于100mm时,其约束作用对试件承载力的提高不明显。     

钢管高钛矿渣砂超高强混凝土短柱轴压力学性能试验研究

为研究钢管高钛矿渣砂超高强混凝土短柱的轴压力学性能,完成了10根钢管高钛矿渣砂超高强混凝土短柱轴压试验,重点考察高钛矿渣砂取代率对其力学性能的影响。结果表明：高钛矿渣砂取代率对钢管混凝土试件的破坏形态、荷载-位移曲线、应力-应变曲线、应力-横向变形系数曲线规律无明显影响,试件均为剪切破坏模式;随着高钛矿渣砂取代率的增加,钢管混凝土试件的承载力与初始刚度随之增加,在取代率为60%时,均达到最大值;由于核心混凝土强度过高,试件含钢率偏小,钢管对核心混凝土约束效应有限,实测承载力小于规范计算承载力。     

钢管插入式基础抗拔承载性能数值模拟

为研究输电线路杆塔三角锚固盘钢管插入式基础在承受上拔荷载时锚固盘的受力性能,使用有限元分析软件对钢管插入式基础进行数值模拟分析,研究锚固件尺寸、混凝土强度、钢管截面和混凝土柱截面对试件抗拔承载性能的影响。结果表明：使用三角锚固盘能够改善锚固盘与钢管焊接部分的应力集中情况,显著提升钢管插入式基础的抗拔承载能力,且混凝土强度越高优势越明显;在一定范围内增加锚固盘尺寸可以提高基础抗拔承载力,提高初始刚度和延性系数,超出范围则影响不明显,最佳的锚固盘尺寸由基础混凝土强度决定;增加混凝土强度、钢管截面尺寸和混凝土柱截面尺寸都可以提高基础的抗拔承载力和初始刚度,延性系数则随混凝土强度的提高先减小后增大,随钢管截面尺寸的提高而减小。     

内衬空八边形钢管的混凝土组合柱耐撞击性能

为研究内衬空八边形钢管混凝土组合柱的耐撞击性能,利用无导轨落锤式撞击试验机进行内衬八边形钢管混凝土组合柱耐撞击试验研究.试验过程中采用力传感器、高速摄像机记录撞击全过程中构件的撞击力时程曲线和跨中位移时程曲线.试验中观察边界条件、撞击能量、轴压比和圆钢管壁厚等因素对组合柱破坏形态与能量耗散的影响规律.试验结果表明:外包钢筋混凝土可与空八边形钢管和钢管混凝土相互协调,共同工作;在承受撞击荷载时,撞击高度对试件耗能能力的影响最为显著,边界条件次之,轴压比影响较弱,圆钢管壁厚影响最弱.     

T形钢管混凝土短柱轴压试验

进行了6根普通构造T形钢管混凝土轴压短柱的试验研究,以考察无加劲措施T形钢管混凝土柱的变形特征、破坏模式和承载能力.试验的主要参数有管壁宽厚比、截面高宽比.试验结果表明,由于T形钢管混凝土柱的核心混凝土延缓了钢管的局部屈曲,尽管该组合构件承载力不能得到有效提高,但延性却得到相当改善;阳角钢管对混凝土提供了较强的约束,而由于钢板与混凝土的分离,阴角钢管几乎不能约束混凝土;T形钢管混凝土柱的破坏形态主要为钢管鼓曲及此部位及阴角区域混凝土压碎破坏;管壁宽厚比越小,初始鼓曲发生越晚,钢管对混凝土的约束效应越强,承载力越高、延性越好.最后采用现有规范或规程的计算公式对试件轴压承载力进行了计算,并对不同计算方法的适用性进行了探讨.     

方钢管混凝土柱隔板贯通节点静力拉伸试验

为研究方铜管混凝土柱与钢梁受拉翼缘连接的结构性能,基于隔板贯通节点承载力理论,对11个十字形节点试件选行了静力拉伸试验研究结果表明,圆弧倒角型隔板贯通节点具有较好的承载力和延性,影响节点承载力的主要因素是隔板的厚度与浇注孔直径,其次是钢管的宽厚比和隔板外伸长度;在铜管中填充混凝土有利于提高节点的屈服承载力和刚度,但混凝土的强度对节点承载力影响不大．试验值与理论计算值比较分析表明,隔板贯通节点局部抗拉承载力理论计算公式对于填充混凝土的试件偏于保守,但过高估计了空铜管试件的承载力．     

方钢管混凝土柱-钢梁隔板贯通节点抗震性能试验

为研究方铜管混凝土柱与钢梁连接的隔板贯通式节点的抗震性能,对4个足尺节点试件进行了低周反复荷载试验,分析了各试件的破坏过程及特征,并对节点的承栽力、延性、耗能能力和刚度退化等抗震性能指标进行了深入的研究与分析．结果表明,隔板贯通节点滞回曲线饱满,具有较强的耗能能力;铜梁翼缘与隔板的连接构造对节点的延性、耗能能力和刚度退化影响较大,倒角放坡型节点比侧板加强型节点具有更好的抗震性能;隔板的厚度、浇筑孔径和铜管的宽厚比对梁端破坏节点的抗震性能影响较小,但在试件中浇筑混凝土可以显著提高节点刚度,减小核心区的剪切变形,改善隔板贯通节点的抗震性能